数字系统设计学习之出租车计价器设计

前言

数字系统设计的大作业来了，用VHDL语言在实验板上实现一个出租车计价设计，有一些难度，大概花了几天时间，不过好在最后搞出来了，同时总结一下遇到的问题，为了排版整洁，源代码就放在最后放出了。
温馨提示一下，一定要看老师发的关于实验板的说明文档和教材，很多东西说明文档里都有的！

本博客原创，转载请注明！！！
本源代码原创，转载和使用请注明！！！

白嫖容易，希望同学能独立完成！！！
如果有一些童鞋毫无思路可以参考一下我的实现思路，但是最后一定要自己去实践、去完成本次实验设计！！！
可能看懂代码花的时间比自己敲用的时间还长

实验板：FLEX10k系列的EPF10K20TC144-4
软件：QuartusII 9
如果对QuartusII 9下载程序过程不熟悉的童鞋，可以看一下我之前的博客：数字系统设计学习之QuartusII9下载程序
废话不多说，开始吧！
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个人博客：https://ronglin.fun/?p=262
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CSDN: https://blog.csdn.net/RongLin02/article/details/116535972

设计

题目需求

出租车计价器设计（平台实现）★★
完成简易出租车计价器设计，选做停车等待计价功能。
基本功能：
1）起步8元/3公里，此后２元/公里；
2）里程指示信号为每前进50米一个高电平脉冲，上升沿有效；显示行驶公里数，精确到0.1公里。（模拟时速40KM/h）
4）前进里程开始之前显示价钱，精确到0.1元；
5）用两个按键分别表示开始行程和结束行程。
选做功能：
１） 增加一个停车等待／恢复行程按钮，用２个数码管显示等待时间，精确到0.1分钟。
２） 等候费１元／分钟，计价精度为0.1元。

题目分析

根据实验需求，整个程序的运行过程可以分为三个状态，分别是停止状态、运行状态和等待状态，停止状态用来显示本次行驶的相关数据；运行状态，模拟车辆运行，里程指示以时钟脉冲为标志，即来一次时钟上升沿，行驶里程数增加一次。同时根据计费准则计费，计费规则为，前3公里8元钱，此后２元/公里；等待状态下，以时钟信号为标志增加等待时间，显示等待时间，同时根据等待时间计费，计费规则为1分钟1元钱，即6秒1毛钱。
分析完题目就可以开始画思维图了：

思路设计如上图，一共设计了三个状态分别是停止状态、运行状态和等待状态，停止状态不做任何计算，只是显示本次行驶的“等待时间”、“行驶公里数”和“费用”，当用户按下开始按钮之后，程序切换到运行状态，当cp到来时增加公里数，同时费用增加，当用户按下等待按钮时，程序切换到等待状态，当cp到来时增加等待时间，计费累计。一目了然。

之后开始头秃敲代码，为了排版整洁，源代码放在博客最后。

测试

因为用到了数码管，输出的最后结果是数码管的译码值，不直观，所以仿真图就不放出来了，直接看板载结果。

板载测试

计费规则：
等待时间换算，１元／分钟（每6秒1毛钱）
前3公里8元钱，
此后２元/公里；

测试结果1

计算过程：
等待时间 花费：42秒/6 = 0.7元
前3公里 花费：8元
后2.8公里 花费： 2.8*2=5.6元
一共花费 0.7 + 8 + 5.6 = 14.3元

测试结果2

计算过程：
等待时间 花费：1分12秒 = 72秒，72秒/6 = 1.2元
前3公里 花费：8元
后0.5公里 花费： 0.5*2=1元
一共花费1.2 + 8 + 1 = 10.2元

设计结论与分析

总述

本次设计采取的主要是有限状态机的思想，虽说是状态机，但和书上的比却不是正宗的VHDL模式的状态机，而是类比了嵌入式STM32类单片机的状态机设计思想，非要说的话，算是Moore类状态机，用一个process控制状态切换，这个进程主要监听两个按钮的变化，根据用户的输入改变状态；第二个process就是每一个状态下，当时钟信号到来时应该执行什么操作；还有一（两）个process是用来控制数码管，让其显示自己需要的内容。最开始设计数码管的显示，也是根据当前的状态输出值，但最后经过比较 不同状态需要输出的内容时，由于数码管数量有限，不同状态下能输出的值的数量有限，最后统一，不论哪种状态，都只显示“等待时间”、“行驶公里数”、“价钱”。其中还有一个小瑕疵就是，本来想用1Hz作为标准时钟，但是1Hz的频率太慢，不利于调试，最后还是调高了频率。

容错测试

我的测试重点主要在于用户的错误操作，对于基础功能，经过多次计算和测试是没有问题的，所以重点放在了错误操作上：
1.在停止状态，点击等待状态的按键。
在停止状态，如果启动等待状态，是没有任何反应的，数码管仍然显示“等待时间”、“行驶公里数”、“价钱”且数值不变。符合日常生活。
2.在等待状态，点击停止状态的按键。
点击之后，等待时间不再读秒，立刻停止，此时再次拨动等待状态的按键，数码管没有任何反应。符合日常逻辑。
3.在等待状态，点击开始状态的按键。
点击开始状态的按键，没有任何反应。
4. 在等待状态的按键未关闭的状态下，直接点击开始
会直接进入等待状态，“等待时间”读秒，同时计费，不论是否超过了3公里。符合设计逻辑。

优点

由于数码管的限制，行驶公里数只能显示两位，所以最高只能显示9.9公里，但是这只是显示问题，公里数只会显示个位和小数位，费用不会受到影响，等待时间同理，等待时间只显示分钟和秒数，最高只能显示到9分59秒，如果超过了10分钟，只会从0开始读秒，但是费用不会受到影响。不过因为数码管数量限制，只能最高显示99.9元，如果超过99.9元，费用就会清空。

缺点

最大的问题还是在于频率的问题，因为1Hz太慢，不利于调试查看最后结果，就稍微加快了一下频率，用的100Hz时钟，然后开关是110，最后的时钟频率就是100/(2^6) = 1.5625Hz,如果非要改进的话，需要再定义一个分频器。按照目前的时钟频率，模拟的出租车时速为562.5km/h。起飞 尽管如此，需要看到3公里之后的价格情况仍需等待一段时间，故我特意加快了时钟频率(车速)来更方便的调试。

可扩展性

我的设计思路基于有限状态机，最初定义了4个状态，停止，行驶3公里内，行驶超3公里，等待。但经过分析，最后确定的状态只有，停止和行驶两种状态，为了使代码更整洁，等待状态融进了行驶状态中，但是基本的状态框架已经设计好，可以在其上增加其他状态，或者将我调快的时钟频率调回成符合日常的车速，这些改动不需要对代码代码有很大改动，这是状态机设计思路的好处，同时代码的可读性也更强。

问题与总结

重点来了，主要是遇到的问题的一些解决方法，非要说的话，也不算是解决方案，而且避开这些问题，因为理论部分实在是不扎实，很多东西并不清楚是什么原因。

遇到的问题

逻辑单元不足

遇到的第一个问题就是，逻辑单元不够用。这个错误主要是因为代码太复杂，综合的时候需要大量的逻辑单元，而手上的芯片只有1152个逻辑单元，所以编译的时候都通不过。落实到源代码中就是定义了一个整数范围为0-99999的信号量，当这个信号量参与运算尤其是乘除模的时候，需要耗费大量的逻辑单元，最后导致不可用。
解决方法：
首先尝试的的一个方法就是把这个整型量换算为二进制数，最后需要用数码管显示的时候再用函数转化。最开始这个方法是可以解决问题的，但随着功能的增加，需要对这个信号量进行大量的运算，结果还是超了。
最后解决方法是，定义多个信号量，将上边的整型按位拆分，例如最大需要999，就定义3个长度为4的位向量(0000-1010),最后显示的时候，依次处理，不过这种方法的难度在于，每一次运算都要做进位运算，当个位满10的时候就要进位到十位，每一位都要判断，虽然代码麻烦一些，但是可省下很多逻辑单元。

信号赋值延迟问题

这个问题应该算是VHDL语言的特性了，给一个信号量赋值的时候，不会有效，整个进程执行到最后一条语句时进程接下来挂起时，数据才发生带入，当设计很简单的电路时，延迟一个时钟周期貌似没什么问题，但是设计很难的项目时，必须要严谨的对待每一个时钟周期。
解决方法：
我用的方法就是，在process中定义一个变量，初始值为信号量的值，在进程中对信号的赋值是立刻实现的，然后对这个变量进行操作，就行了，最后还要记得在进程的结束处将变量的值赋给信号量存储起来。

case在不同分支对同一量赋值

这个问题不知道算不算是问题，但是我在做板载测试的时候确实遇到了，一个case语句，在不同的分支中，如果都有对同一个量的赋值运算，这个量的最后值可能不合乎逻辑。不论是信号量还是变量。
解决方法：
我对EDA的内部逻辑并不是很懂，可能是因为并行性？如果对于软件设计来说，case语句中不同分支是相互独立的，绝不会相互影响的，但是在VHDL中有些小问题。我的解决方法就是将case换成if，最后就可以通过了。

总结

对于本学科，数字系统设计的一些感想，因为我之前已经入门了嵌入式开发，深知硬件设计的难度，尤其是课本前几章的复杂的理论体系中，我学的有些迷茫。不过当拿到硬件之后，我就开始慢慢的了解EDA，用板子实现一个个常用功能非常有成就感，但是学习过程中，我觉得最大的难点在于，现在网络上对于EDA的资料太少，当quartus报错时，很多报错都查不到相关原因，只能自己一步一步修改代码，一句一句代码的改来确定报错原因。其次的难点在于硬件设计和软件设计还是有很大的区别，虽然VHDL像高级语言一样，有很多的方便的用法，但是它始终还是硬件。硬件的学习真是一个比较漫长且难熬的过程，不过幸好在不断的改错下完成了大作业。=w=

源代码

硬件资源：FLEX10k系列的EPF10K20TC144-4
软件资源：QuartusII 9
参考资料：EDA-I便携式数字系统实验与设计平台说明书.pdf和EDA技术与VHDL设计（第二版）徐志军、王金明、严廷辉等编著。
所需资源：
本次实验设计输入端口共需要5个：2个时钟信号、2个输入按键、1个输入开关；输出端口为2类，1个是数码管的选择位矢量，1个是数码管的显示数据。所以共需要资源为：8个数码管的片选sel(0…7)（pin_119—pin_135），数码管显示digital(7…0)（pin_136—pin_144），两个时钟信号（clk_digital:pin_55、clk_run:pin_122），2个输入按键（key_begin:pin_43、key_stop:pin_33），1个输入开关（key_wait:pin_44）

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITY taxi is					--配置实体
	port(
		clk_digital : in std_logic;
		clk_run : in std_logic;
		key_begin: in std_logic;
		key_stop: in std_logic;
		key_wait:in std_logic;
		sel : out std_logic_vector(7 downto 0);
		digital : out std_logic_vector(7 downto 0)
	);
end ;

architecture cost of taxi is					--配置结构体

TYPE digital_ARRAY is array (7 downto 0) of std_logic_vector(7 downto 0); --digital个LED灯
signal digitals : digital_ARRAY;
signal digital_index : integer range 0 to 7;

TYPE digital_codes is array (0 to 9) of std_logic_vector(7 downto 0);	--数码管译码数组
signal digital_code : digital_codes;
signal digital_code_point : digital_codes;

signal flag : std_logic := '0';
signal state : integer range 0 to 1 := 0; --0:stop; 1:run;

signal km_0 : std_logic_vector(3 downto 0):= "0000";
signal km_1 : std_logic_vector(3 downto 0):= "0000";

signal free_0 : std_logic_vector(4 downto 0) :="00000";
signal free_1 : std_logic_vector(4 downto 0) :="01000";
signal free_2 : std_logic_vector(4 downto 0) :="00000";
signal flag_free : std_logic := '0';

signal wait_time_min : std_logic_vector(3 downto 0) := "0000";
signal wait_time_sec_0 : std_logic_vector(3 downto 0):= "0000";
signal wait_time_sec_1 : std_logic_vector(3 downto 0):= "0000";
signal counter_6 : integer range 0 to 6 :=0;

begin
	--数码管译码数组
	--digitals(index) <= digital_code(x_index)
	digital_code(0) <= "11111100";
	digital_code(1) <= "01100000";
	digital_code(2) <= "11011010";
	digital_code(3) <= "11110010";
	digital_code(4) <= "01100110";
	digital_code(5) <= "10110110";
	digital_code(6) <= "10111110";
	digital_code(7) <= "11100000";
	digital_code(8) <= "11111110";
	digital_code(9) <= "11110110";

	digital_code_point(0) <= "11111101";
	digital_code_point(1) <= "01100001";
	digital_code_point(2) <= "11011011";
	digital_code_point(3) <= "11110011";
	digital_code_point(4) <= "01100111";
	digital_code_point(5) <= "10110111";
	digital_code_point(6) <= "10111111";
	digital_code_point(7) <= "11100001";
	digital_code_point(8) <= "11111111";
	digital_code_point(9) <= "11110111"; 
	
	digital_show:process(clk_digital)	--动态扫描8个管		
	begin
		if clk_digital'event and clk_digital = '1' then
			digital <= digitals(digital_index);
			sel <= NOT ( conv_std_logic_vector(2**digital_index,8) ); --构造位向量,选中哪一个数码管
			if digital_index = 7 then
				digital_index <= 0;
			else
				digital_index <= digital_index + 1 ;
			end if;
		end if;
	end process;
	
	--结果的展示效果
	--先用3管显示等待时间
	--再用2管显示已经行驶的公里数
	--最后用3管显示价格
	show:process(clk_digital)
	begin
		digitals(7) <= digital_code_point( conv_integer(wait_time_min) );
		digitals(6) <= digital_code(conv_integer(wait_time_sec_1));
		digitals(5) <= digital_code(conv_integer(wait_time_sec_0));
		
		digitals(4) <= digital_code_point(conv_integer(km_1));
		digitals(3) <= digital_code(conv_integer(km_0));
			
		digitals(2) <= digital_code( conv_integer(free_2) );
		digitals(1) <= digital_code_point( conv_integer(free_1) );
		digitals(0) <= digital_code(conv_integer(free_0));
	end process;

	process(key_begin,key_stop) --状态转化的条件
	begin
		if key_stop ='0' then 
			state <= 0;
		else
			if key_begin = '0' then
				state <= 1;
			end if;	 
		end if;
	end process;

	process(clk_run,state)
	--用变量解决信号赋值的延迟问题
	variable km_0_tmp : std_logic_vector(3 downto 0) := km_0;
	variable km_1_tmp : std_logic_vector(3 downto 0) := km_1;
	
	variable free_0_tmp : std_logic_vector(4 downto 0) := free_0;
	variable free_1_tmp : std_logic_vector(4 downto 0) := free_1;
	variable free_2_tmp : std_logic_vector(4 downto 0) := free_2;
	variable flag_free_tmp : std_logic := flag_free;
	
	variable wait_time_min_tmp : std_logic_vector(3 downto 0) := wait_time_min;
	variable wait_time_sec_0_tmp : std_logic_vector(3 downto 0) := wait_time_sec_0;
	variable wait_time_sec_1_tmp : std_logic_vector(3 downto 0) := wait_time_sec_1;
	variable counter_6_tmp : integer range 0 to 6 := counter_6;
	
	begin
		case state is
			when 0 =>--stop
				flag <= '0';
				
			when 1 =>--run	
				if flag = '0' then --每一次出发前清空上一次的结果
					km_0_tmp := "0000"; 
					km_1_tmp := "0000";
					
						
					free_0_tmp := "00000"; 
					free_1_tmp := "01000"; 
					free_2_tmp := "00000";
					flag_free_tmp := '0';
						
					wait_time_min_tmp := "0000";
					wait_time_sec_0_tmp := "0000"; 
					wait_time_sec_1_tmp := "0000";
						
					flag <= '1';
						
				else
					if clk_run'event and clk_run = '1' then 	--统一时钟以免出现数据被错误修改
						if key_wait = '1' then 	--在等待状态下
							wait_time_sec_0_tmp := wait_time_sec_0_tmp + "0001";
							
							--以下代码用于处理进位
							if wait_time_sec_0_tmp >= "1010" then
								wait_time_sec_1_tmp := wait_time_sec_1_tmp + "0001";
								wait_time_sec_0_tmp := wait_time_sec_0_tmp - "1010";
							end if;
							if wait_time_sec_1_tmp >= "0110" then
								wait_time_min_tmp := wait_time_min_tmp + "0001";
								wait_time_sec_1_tmp := wait_time_sec_1_tmp - "0110";
							end if;
							if wait_time_min_tmp >= "1010" then
								wait_time_min_tmp := "0000";
							end if;
							
							counter_6_tmp := counter_6_tmp + 1; 	--计数器,每等待6s费用增加0.1
							
							if counter_6_tmp >= 6 then
								counter_6_tmp := 0;
								
								free_0_tmp := free_0_tmp + "00001";
								if free_0_tmp >= "01010" then
									free_1_tmp := free_1_tmp + "00001";
									free_0_tmp := free_0_tmp - "01010";	
								end if;
								if free_1_tmp >= "01010" then
									free_2_tmp := free_2_tmp + "00001";
									free_1_tmp := free_1_tmp - "01010";	
								end if;
								if free_2_tmp >= "01010" then
									free_2_tmp := "00000";	
								end if;
								
							end if;
						else	--在运行状态下
							km_0_tmp := km_0_tmp + "0001" ;
							
							--以下代码用于处理满10进位
							if km_0_tmp >= "1010" then
								km_1_tmp := km_1_tmp + "0001";
								km_0_tmp := "0000";
							end if;
												
							if km_1_tmp >= "0011" and km_0_tmp > "0000" then
								flag_free_tmp := '1';
							end if;
								--如果超过9.9公里,清空公里显示但是计费仍存在
							if km_1_tmp >= "1010" then 
								km_1_tmp := km_1_tmp - "1010";
							end if;
							
							--超过3公里开始计费
							if flag_free_tmp = '1' then 
								free_0_tmp := free_0_tmp + "00010";
							
								if free_0_tmp >= "01010" then
									free_1_tmp := free_1_tmp + "00001";
									free_0_tmp := free_0_tmp - "01010";	
								end if;
								if free_1_tmp >= "01010" then
									free_2_tmp := free_2_tmp + "00001";
									free_1_tmp := free_1_tmp - "01010";	
								end if;
								if free_2_tmp >= "01010" then
									free_2_tmp := "00000";	
								end if;
								
								
							end if;
							
						end if;--运行/等待状态			
					end if;--时钟上升沿
				end if; --清空上一次的结果
			when others =>
				flag <= '0';
		end case;
		
		
		--将变量的值赋给信号
		km_0 <= km_0_tmp;
		km_1 <= km_1_tmp;
		
		flag_free <= flag_free_tmp;
		wait_time_min <= wait_time_min_tmp;
		wait_time_sec_0 <= wait_time_sec_0_tmp;
		wait_time_sec_1 <= wait_time_sec_1_tmp;
		counter_6 <= counter_6_tmp;
		
		free_0 <= free_0_tmp;
		free_1 <= free_1_tmp;
		free_2 <= free_2_tmp;
	end process;

end cost;